Unsere Vertretung in Deutschland: Falk & Thomas Engineering
  
Teil 1 : Überblick über die Funktionsweise von hiTRAN Turbulenzerzeugern

Teil 2 : hiTRAN Turbulatoren zur Leistungssteigerung in Kondensatoren

Teil 3 : Wärmeübertragung und Ablagerungsbildung in Rohren mit 
           Turbulenzerzeugern

Teil 3 :  Wärmeübertragung und Ablagerungsbildung in Rohren mit 
Turbulenzerzeugern
 
HiTRAN® Turbulatoren haben sich bei vielen betrieblichen Problemen mit Rohrbündelwärmeaustauschern 
als ideale Lösung erwiesen. Dieses patentierte System bietet durch die Optimierung der 
Wärmeaustauscherleistung die Möglichkeit Ablagerungsbildung in den Rohren zu minimieren. Zunächst wird 
die Hydrodynamik im Rohr, welche durch den Einsatz der hiTRAN Turbulatoren grundlegend geändert wird, 
detailliert erläutert. Dieses wird mit Hilfe eines Videos veranschaulicht. Neben der qualitativen Darstellung 
werden auch quantitative LDV / PIV Laser Messungen vorgestellt. Zusätzlich werden Forschungsergebnisse 
bezüglich Partikel- und Rohoelfoouling wiedergegeben.
Im zweiten Abschnitt wird dann auf die wärmetechnischen Aspekte, insbesondere auf die Auswirkung 
bezüglich der Rohrwandtemperatur eingegangen. Abschließend wird anhand eines Fallbeispiels die 
Modifizierung einen Wärmetauschers mit Turbulatoren zahlenmäß veranschaulicht.

1. Hydrodynamik im Rohr mit hiTRAN Turbulatoren
1.1 Reynoldsscher Stromfadenversuch mit hiTRAN

Die Hydrodynamik im Rohr wird durch den Einsatz der hiTRAN Turbulatoren grundlegend geändert. Im 
präsentierten Video (siehe hierzu bitte Video auf CD) wird der reynoldsche Stromfadenversuch zur 
strömungs- Sichtbarmachung wiederholt. In dem dargestellten Fall wird das Rohr jedoch mit einem hiTRAN 
Rohreinbau bestückt.

[Zum Verständnis der folgenden Ausführungen sehen Sie bitten den hier hinterlegten Viedeoclip, (Windows Media player benötigt)]     VIDEOCLIP

Der Versuchsaufbau zeigt die Scheer- und Mischeffekte, welche sich durch den Einsatz des hiTRAN 
Turbulators einstellen. Als Versuchsfluid dient Wasser. Der Rohrdurchmesser beträgt 20mm. Die Insertlänge 
ist etwa 500mm
Rote, bzw. blaue Tinte wird der Strömung zugeführt (siehe Abb. 1) Vor dem Insert werden die 
Glattrohrbedingungen angetroffen Hier mit A wiedergegeben. Die so genannte laminare Schichtenströmung 
läßt sich gut erkennen. Sobald die Strömung auf das Insert trifft, stellt sich grundsätzlich ein vollkommen 
anderer Strömungszustand ein.

Abb. 1: Turbulenzeintrag durch das HiTRAN® Element. (A) Unbeeinflußte Grenzschichtströmung, (B) 
Turbulenzeintrag durch den Turbulator.

Bei einer Rohr Re-Zahl von 500 liegt die voll laminare Strömung vor. Zu erkennen ist, wie die Strömung in 
diesem Zustand and der Wand haftet. Sobald sie auf das Insert trifft werden Flüssigkeitsballen zur 
Strommitte abgelenkt.

Flüssigkeit die in der Rohrmitte strömt wird durch die Geometrie des Inserts zur Rohrwand abgelenkt. Durch 
die Überlagerung dieser beiden Strömungen erreicht man eine sehr gute Durchmischung. Mit zunehmender 
Re-Zahl nimmt durch den erhöhten Impuls beim Auftreffen auf den Turbulatordraht die Ablenkung zu.
Bemerkenswert ist, daß selbst bei einer Re-Zahl von 5000, also in einem Bereich in dem man davon 
ausgehen sollte, daß bereits im Glattrohr eine gute Durchmischung vorliegt, an der Rohrwand die Flüssigkeit 
noch immer haftet. Dieses ist deshalb erwähnenswert, da hier an der Wand die Strömungsmechanik stark 
auf die Foulingmechanismen einwirkt. Nach dem Durchströmen des Inserts ist die Durchmischung fast 
vollständig abgeschlossen. Konzentrationsunterschiede, hier in form von unterschiedlich gefärbter Tinte, 
werden vollständig ausgeglichen.
Zusammenfassend läßt sich sagen:

• Im Glattrohr ist selbst bei relativ hohen Re-Zahlen kaum eine Durchmischung an der Rohrwand festzustellen. Dieses ist auf die geringe lokale Geschwindigkeit in Rohrwandnähe zurückzuführen.
  
• Der Einbau von hiTRAN ändert die Fluiddynamik. Die Flüssigkeit wird von der Rohrwand 
  wegtransportiert und mit der Kernflüssigkeit durchmischt
  
• Die Verweilzeit an der Wand wird deutlich verkürzt
  
• Die Grenzschicht wird aufgerissen

1.2 LDV und PIV Laser Messungen
Es wurden Laser doppler velociometry (LDV) Experimente durchgeführt, um die Strömung quantitativ zu 
beschreiben [1]. Ein Glasrohr mit eingebautem hiTRAN Element wird hierzu von einer Wasser-Glyzerin 
Mischung durchströmt.







Mithilfe eines Lasers der in vertikaler (y) und horizontaler Richtung (x) verschiebbar ist kann dann nach dem 
Prinzip der LDV die Geschwindigkeit in x-Richtung ausgemessen werden. Die Auflösung reicht herab bis zu 
einem Messvolumen im 10tel Millimeterbereich.

Abb. 3: Geschwindigkeitsprofil im Glattrohr

Bis zu einer Re-Zahl von 2300 ist ein parabolisches Geschwindigkeitsprofil welches nach dem Hagen 
Posoilschen Gesetz berechnet werden kann zu erwarten.

Laminar :                                                                 Gl.: 1

Bei höheren Strömungsgeschwindigkeiten, d.h. höheren Re-Zahlen wird der Geschwindigkeitsanstieg an der 
Wand immer steiler. Die Grenzschicht wird schmaler.
In Abb. 3 sieht man, wie die LDV Messungen diesen formelmäßigen Zusammenhang sehr gut bestätigen. 
Hier die blaue Kurve mit Messpunkten.

Turbulent:                                                             Gl.: 2

Beim Einbau von hiTRAN Elementen ändern sich diese Zusammenhänge grundlegend.
Strömungszustände bei Re 100 und Re 500 sind hier in der Abb. 4 wiedergegeben.

Abb. 4: Geschwindigkeitsprofile mit hiTRAN Turbulatoren

Da durch die Abschattung der Schlaufendrähte Messungen nicht direkt im Insert durchgeführt werden 
konnten, wurden sie in einem Rohrquerschnitt 3mm hinter dem Insert vorgenommen.
Als durchgezogene Linien sind die turbulenten (Gl.: 2) und laminaren (Gl.: 1) Glattrohr Geschwindig-
keitsprofile für den laminaren und den turbulenten Fall dargestellt. Das gemessene Geschwindigkeitsprofil 
ist hier als blaue Kurve mit Meßpunkten wiedergegeben.
Zunächst ist die Zweiteilung der Profile hervorzuheben. D.h. In Rohrachse sinkt die Geschwindigkeit auf Null 
ab. Dieses wird durch den so genannten Kerndraht an dem die Schlaufen aufgehängt sind hervorgerufen. 
Die Geschwindigkeitsmaxima verschieben sich mit höheren Re Zahlen in Richtung Rohrwand. 
Bemerkenswert ist, daß das Geschwindigkeits-Profil an der Wand, also in der Region der Ablagenbildung, 
dem der turbulenten Strömung bei wesentlich höheren Strömungsgeschwindigkeiten ähnelt!
Diese bedeutende Region wurde näher untersuch, In Abb. 5 zoomen wir sozusagen in diesen Bereich von 0 
bis 1mm Wandabstand.

Abb. 5: Geschwindigkeit in Wandnähe

Man erkennt, daß die Geschwindigkeitsgradienten, im Gegensatz zum Glattrohr, mit höherer Re-Zahl 
ansteigen. Dieses gilt sowohl im laminaren, als auch im Übergangsbereich zur voll entwickelten Turbulenz.
Bei einer Re-Zahl von 500 ist der Gradient etwa 4 mal so groß wie im Glattrohr.
Hinsichtlich der Ablagerungsbildung hat dieses zur Konsequenz, daß sich die Abtragsrate bei diesen 
Geschwindigkeiten erhöhen sollte. Diese Rate wird maßgeblich von den Scherkräften an der Wand 
beeinflusst, welche sich proportional zum Geschwindigkeitgradienten in Wandnähe verhalten. Die 
dargestellten Verhältnisse gelten für ein Insert mit konstanter so genannter Packungs- oder Schlaufendichte.
Der Gradient hängt aber auch von dieser Packungsdichte ab, wie in Abb. 6 dargestellt

Abb. 6: Geschwindigkeitsgradient an der Wand mit unterschiedlichen Packungsdichten 

Mit zunehmender Drahtpackungsdichte nimmt der Geschwindigkeitsgradient an der Wand und damit die 
Scherrate und Scherkraft zu. Das Geschwindigkeitsprofil ähnelt immer mehr dem einer Pfropfenströmung. 
Im Hinblick auf Fouling hat das zwei Konsequenzen

• Erhöhte Scherkraft an der Wand, d.h. bessere Abtragsrate
  
• Bessere Durchmischung, d.h. Konzentrationsunterschiede welche für Ablagerungen verantwortlich 
  gemacht werden, können ausgeglichen werden.

In den bisherigen Ausführungen wurde nur die Geschwindigkeitskomponente in x d.h. Strömungsrichtung 
behandelt. Bei der laminaren Strömung im Glattrohr ist das auch gerechtfertigt, da Quer zur 
Strömungsrichtung keine Geschwindigkeitskomponente vorhanden ist. Im Strömungsvideo wird deutlich, 
daß bei Anströmung an das hiTRAN Element die Flüssigkeit jedoch auch vertikal zur Rohrachse abgelenkt 
wird.

Abb. 7: PIV Aufnahme vom Geschwindigkeitsfeld 

Partikel Image Velociometry (PIV) Messungen stellen diesen Zusammenhang graphisch dar. Bei dieser 
Technik werden feinste Partikeln die der Strömung schlupflos folgen im Stroposkopverfahren mit Laserlicht 
aufgenommen. Die Strömung wird im Rohrmittelpunkt über eine Querschnittsfläche von 20mm X 20mm 
ausgemessen. Nach rechentechnischer Auswertung kann das Strömungsfeld dann visualisiert werden. 
Farbmarkierungen der Vektoren geben absolut Geschwindigkeiten wieder.

Rechts sind die Zusammenhänge im Glattrohr bei einer Re-Zahl von 2000 dargestellt. Wie zu erwarten mißt 
man die Maximalgeschwindigkeit in Strommitte und die Minimalgeschwindigkeit an der Rohrwand. Die 
Vektoren verlaufen horizontal. Ganz anders sind die Verhältnisse im Strömungsfeld hinter einem hiTRAN 
Element. Man sieht zunächst, daß wie schon vorher erwähnt die Maximalgeschwindigkeit zur Rohrwand 
verschoben vorliegt.
Darüber hinaus erkennt, man das Geschwindigkeitskomponneten in vertikaler Richtung vorliegen. Es wird 
also Flüssigkeit aktiv von der Rohrwand weg transportiert.
Diese Beobachtungen haben direkte Auswirkungen auf das Ablagerungsverhalten.

1.3 Auswirkung auf das Ablagerungsverhalten
An der Universität Edinburgh werden derzeit Versuche zum Sedimentation- bzw Partikelfouling drchgeführt 
[2]. Hierbei durchfließt die sedimentbeladene Flüssigkeit zwei parallel angeordnete Testabschnitte, von 
denen ein Abschnitt mit hiTRAN Elementen bestückt ist (Abb. 8 ). Die Strömungsverhältnisse werden so 
kontrolliert, das sie in beiden Abschnitten identisch sind.

Abb. 8: Versuchsaufbau Sedimentationsverhalten mit hiTRAN Elementen


Die Sedimentdicke wird mithilfe eines neuartigen Laserverfahren und photografisch ausgemessen.
Als Versuchsmedium wird eine Wasser-Talkum Suspension eingesetzt. Talkum hat einem mittleren 
Partikeldurchmesser von 50 Mikron und eine mittlere Dichte von 2500kg/m3.

Abb. 9: Sedimentationsverhalten im Vergleich.


Erste Ergebnisse zeigen, daß durch die oben ausgeführten Strömungsbedingungen die Partikeln länger in 
der Strömung gehalten werden als im Glattrohr (Abb. 9). Im Glattrohr bildet sich zeitabhängig eine 
Sedimentschicht. Bei der Bestückung mit hiTRAN ist keine Sedimentbildung zu beobachten.
Hier nicht dargestellte Untersuchungen zeigen auch, daß die Wirksamkeit mit zunehmender hiTRAN 
Packungsdichte ansteigt, wobei nach einem Optimum ein Plateau erreicht wird. Erste zusammenfassende 
Ergebnisse sind für Anhang nächsten Jahres geplant




2. Wärmetechnische Auswirkungen durch den Einsatz von hiTRAN
2.1. Verbesserung des rohrseitigen Wärmeübergangs
Die im Vergleich zum Glattrohr veränderte Hydrodynamik führt in Folge der erhöhten Turbulenz zu einem 
wesentlich höheren Wärmeübergangskoeffizienten an der inneren Rohrwand. Der Alphafaktor af ist ein Maß 
für die Verbesserung des rohrseitigen Wärmeübergangs durch den Einsatz der HiTRAN® Elemente. Er ist 
definiert sich wie folgt:

α_f = α_i(HiTRAN®) / α_i(Glattrohr)                                                                           Gl.: 3

und ist eine Funktion des Fluidzustandes welcher durch die Reynoldszahl charakterisiert wird, sowie der 
Packungsdichte des HiTRAN® Elements. In Abb. 10 ist dieser Verstärkungsfaktor dargestellt. Den 
ausgeprägtesten Verstärkungseffekt, mit einem bis zu 20fach höheren Wärmeübergang im Vergleich zum 
Glattrohr, erzielt man im Reynolds Bereich von 200 bis 2300. Für turbulente Strömungen ist jedoch immer 
noch eine deutliche Verbesserung des rohrseitigen Wärmeübergangs zu beobachten.

Abb. 10: Verstärkungsfaktor (alphafaktor) als Funktion der Reynolds-Zahl. 

Die Grenzkurven des in Abb. 10 dargestellten Performance Range wird durch HiTRAN® Turbulatoren mit 
der geringsten (Kurve 2) und der höchsten (Kurve 1) Packungsdichte gebildet. Packungsdichten zwischen 
den Grenzkurven lassen sich kontinuierlich variieren und erlauben optimales Design des Wärmetauschers. 
Eine Erhöhung der Packungsdichten führt bei konstanter Reynoldszahl zu einem höheren Wärmeübergang. 
Allerdings muss auch ein höherer Widerstandsbeiwert CETA in Kauf genommen werden. Durch Modifikation 
der Ganganzahl im Wärmetauscher kann der rohrseitige Gesamtdruckverlust jedoch unter dem eines 
Glattrohr-Wärmetauschers liegen. Grundsätzlich wird das hiTRAN® Element so ausgewählt, das der 
gesamte zulässige rohrseitige Druckverlust für eine Erhöhung des Wärmeübergangs nutzbar gemacht wird.


Die Leistung eines Wärmetauschers wird mit der Grundgleichung

      Q = k A dT                                                                                                                   Gl. 4

wiedergegeben. Da der Fineffect der Elemente vernachlässigt werden kann, führt der Einbau der Elemente 
unter Anwendung von Gl. 4 und den vorherigen Feststellungen zu:

•  Maximierung des k Wertes, so daß bei gleich bleibender Tauscherleistung die Temperatur auf der 
  Heizseite verringert werden kann.
  
•  Minimierung des Temperaturunterschiedes zwischen Rohrwandtemperatur und Kerntemperatur. (im 
  folgenden dargestellt)

2.2. Auswirkungen auf die Rohrwandtemperatur
Liegt der Hauptwärmewiderstand auf der Rohrseite, so wird der Unterschied zwischen Kern- und 
Rohrwandtemperatur maßgeblich durch den rohrseitigen Wärmeübergang bestimmt. Formelmäßig wird 
dieser Zusammenhang wie folgt beschrieben:

                                                                                         Gl. 5

Da der Wärmeübergang mit hiTRAN wie gesehen, wesentlich höher als ohne hiTRAN Element ist nimmt der 
Temperaturgradient zwischen Rohr und Wand bei Anwendung der Turbulatoren im geeigneten Re Bereich 
stark ab. 
Dieses ermöglicht die Auslegung eines Apparates mit einer wesentlich geringeren treibenden 
Temperaturdifferenz zwischen den Stoffströmen (Abb. 11) 

Abb. 11: Minimierung der treibende Temperaturdifferenz durch hiTRAN

Darüber hinaus erkenn man, wie vorherig erwähnt, daß das Temperaturgefälle zwischen Rohrwand und 
Kernströmung auf der Rohrseite beträchtlich verringert werden kann.
Dieses Temperaturgefälle zwischen Rohrwand und Kerntemperatur ist bei vielen Foulingvorgängen von 
entscheidender Bedeutung. 
Anhand einer Beispielrechnung ist dieser Zusammenhang in Abb. 12 wiedergegeben.

Abb. 12: Niedrigere Rohrwandtemperatur duch hiTRAN Inserts

Auf der Mantelseite liegt der Wärmeübergang in diesem Beispiel bei konstant 1500W/m2K. Man sieht wie die 
Wandtemperatur asymptotisch mit zunehmendem alpha innen abnimmt.
In unserem Beispiel ist gezeigt wie die Wandtemperatur vom Glattrohr Ausgangswert 128C bei 500W/m2K 
durch die Auslegung mit hiTRAN Elementen auf etwa 92C gesenkt werden kann.

2.3. Auswirkungen auf die Anlagerungsbildung
Reaktionen welche zu Ablagerungen führen, beispielsweise wie sie im Crude oil Fouling ablaufen, können 
oft durch den so genannten Arrhenius Ansatz beschrieben werden. Hierbei kann abhängig von der 
Aktivierungsenergie eine geringfügige Erhöhung der Temperatur einen wesentlich höheren Anstieg der 
Reaktions- und damit Foulingrate mit sich führen. D.h. Eine Minimierung dieses Gradienten wirkt sich in 
jedem Fall positiv auf die Ablagerungsbildung aus.


     
   
Abb. 13:  Arrhenius Verhalten

Zum Anderen hängt das Ablagerungsverhalten stark davon ab, wie lange das Fluid der erhöhten Temperatur 
ausgesetzt ist. Eine kürzere Verweilzeit an der Rohrwand, wie durch hiTRAN Elemente induziert, wirkt sich 
aus diesem Grund auch positiv auf das Ablagerungsneigung aus.

Beispielsweise spielt beim Erwärmen von Rohöl das Temperaturniveau auf dem der Prozess abläuft eine 
entscheidende Rolle. Versuche an der Universität Bath in Grossbritanien bestätigen dieses [3]. Hierbei 
wurde Arabisches Leichtöl als Versuchsfluid verwendet. Die Versuche wurden mit konstanter Wärmestrom 
und Strömungsgeschwindigkeit über eine Dauer von jeweils vier Tage gefahren.
Die Glattrohrversuche zeigten einen zu erwartenden Verlauf nach einem anfänglichen konstanten 
abfallenden Foulingverhalten über die ersten Stunden, zeigte sich ein linearer Anstieg. Das Plateau wurde 
bei diesen Versuchsbedingungen noch nicht erreicht. Die Foulingrate ist im Glattrohr höher als nach Tema[4] 
zu erwarten, wahrscheinlich bedingt durch die ungewöhnlich niedrige Strömungsgeschwindigkeit von 0.5m/s. 
Beim Wiederholen dieser Versuche mit Inserts, zeigte sich ein vollkommen anderes Verhalten. Bereits nach 
wenigen Stunden pendelte sich das Fouling auf einen konstanten Wert ein. Über den ganzen 
Versuchszeitraum lag das Fouling beträchtlich unter dem von Tema selbst fuer höhere 
Fliessgeschwindigkeiten empfohlenen Wert von etwa 0.00075 m2K/W. Bei diesen Versuchen wurde ferner 
eine Abhängigkeit von der Packungsdichte der Inserts festgestellt. Bis zu einer optimalen Packungsdichte 
verhält sich der Foulingwert hierbei umgekehrt proportional zu höheren Packungsdichten. Dieses Verhalten 
ist deckungsgleich mit den Beobachtungen im Edingburgh und wird auch durch die hydrodynamischen 
Lasermessungen bestätigt

Abb. 14: Foulingwiderstand als Funktion der Zeit, Glattrohr – hiTRAN Rohr

Crittenden gibt die folgenden Gründe als Ursache für dieses Verhalten an:

•  Die Verweilzeit der Ablagerungsverursacher nahe der warmen Rohrwand wird verkürzt.
  
• Aufgrund der Grenzschichtminimierung ergibt sich eine Verringerung des Flüssigkeitsvolumens, 
  welches wesentlich stärker als die Kernströmung erwärmt werden muß.
  
• Durch die Veränderten Strömungsbedingungen kommt es zur Unterdrückung von Blasenbildung auf 
  der Rohroberfläche.
  
• Erhöhung der Abtragsrate von Deposit durch grössere Scherkräfte

3. Fallbeispiel: Revamp mit hiTRAN für reduziertes Fouling
An einem Beispiel wird aufgezeigt, wie an einem vorhandener hydrocarbon Wärmetauscher durch leichte 
Modifikationen und den Einbau von hiTRAN Turbulatoren das Foulingrisiko minimiert werden kann.
HiTRAN.SP Computer Software [5] wurde zusammen mit HTRI Software benutzt um diese 
Beispielauslegung durchzuführen.
Der vorhandene Wärmetauscher wurde zur Maximierung des rohrseitigen Wärmeübergangs
8 gängig ausgelegt und so der gesamte erlaubte rohrseitige Druckverlust aufgebraucht. 
Der Heizdampfdruck von 20 bar liefert in diesem rohrseitig kontrollierten Wärmetauscher eine ausreichend 
große treibende Temperaturdifferenz. Dieses Szenario resultiert jedoch in hohen Rohrwandtemperaturen, 
wie in Abb. 15 dargestellt. 
Durch eine Erhöhung des rohrseitigen Wärmeübergangs kann die Wandtemperatur wesentlich verringert 
werden, ohne das Einbußen in der Tauscherleistung auftreten. Als Folge kann die Heizdampftemperatur 
beträchtlich gesenkt werden. Im hiTRAN design wird die Ganganzahl im Wärmetauscher von 8 auf 2 
reduziert. Dieses gewährleistet daß der rohrseitige Druckverlust nicht ansteigt. In Tab.1 Ist dieser Effekt 
dargestellt. Eine Absenkung der Rohrwandtemperatur unter den Schwellenwert für Ablagerungsbildung 
(cracking Temperatur) ist in jedem Fall erstrebenswert.
Sedimentations und Reaktionsfouling wird oft in Kombination mit Sedimentations oder Partikelfouling 
angetroffen. Die Ablagerungsraten beider Mechanismen können wie in den vorherigen Abschnitten gesehen 
durch hohe Wandscherraten und radiale Vermischung minimiert werden. HiTRAN Turbulatoren 
gewährleisten dieses bei geringen Stömungsgeschwindigkeiten.
Die aufgeführte Wärmetauscher Modifizierung ist mit geringen Kosten und Risiken verbunden. Sie erfordert 
lediglich den Einbau der Elemente und den Austausch oder Abänderung der Tauscherhauben.

Tabelle 1  Leistung eines Glattrohr und hiTRAN® Wärmetauschers

Abb. 15: Wandtemperaturen im Vergleich, A) 8-gängiger Glattrohr WT  B) 2-gängiger hiTRAN WT

In Abb. 16 wird ein Screenshot des Berechnungsprogrammes hiTRAN.SP zur Berechnung von Wärmetauschern mit hiTRAN Elementen wiedergegeben. Die farbigen Kurven stellen den rohrseitigen Wärmeübergang als Funktion des Druckverlustes beim Einsatz von hiTRAN Turbulatoren dar. Jede Kurve beginnt mit der geringsten Packungsdichte und endet mit der höchsten Turbulator Packungsdichte. Die roten Quadrate geben die Zusammenhänge für einen Glattrohrwärmetauscher mit N Gängen wieder. (N = Anzahl der Quadrate)
 Bei der Auslegung eines Wärmetauschers basiert die maximale Ganganzahl im Normalfall auf den maximal zulässigen Druckverlust. In diesem Fall ein 2- oder 3-gängiger Wärmetauscher mit unterschiedlichen Insert Packungsdichten kann für denselben maximal zulässigen Druckverlust eingesetzt werden.

Abb. 16: Screenshot hiTRAN.SP Berechnungsprogramm

4. Zusammenfassung

Die Videoaufnahmen des Stromfadenversuchs zeigen deutlich, wie durch die hiTRAN Turbulatoren die Stömungsgrenzschicht aufgerissen wird. Flüssigkeit wird von Rohrwand zur Rohrmitte und umgekehrt abgelenkt. PIV und LDV Laser Messungen bestätigen diese Beobachtungen quantitativ.  Abhängig von der Re-Zahl sind die Geschwindigkeitsgradienten d.h Scherkräfte an der Rohrwand beträchtlich größer als im Glattrohr. Bereits im laminaren Reynolds Bereich ähnelt das Geschwindigkeitsprofil an der Wand dem der turbulenten Strömung. Die Auswirkung der veränderten Hydrodynamik bewirkt das in Versuchen Sedimentationsfouling erfolgreich unterdrückt werden kann.

Aufgrund des Turbulenzeintrags werden bis zu 20 fach höhere innere Wärmeübergangskoeffizienten als im Glattrohr gemessen. Hierdurch ist es möglich die Temperaturunterschiede zwischen Kern- und Wandtemperatur klein zu halten. Bei komplexen Ablagerungsverhalten, wie dem des Rohoelfoulings ergeben sich durch die Kombination einer höheren Wandschubspannung und des ausgeglicheneren Temperaturniveaus in der Rohrströmung geringere Foulingwiderstände als im Glattrohr.

Neuauslegung und retrofit von vorhandenen Wärmeaustauschern können leicht mit der Software hiTRAN.SP durchgeführt werden, dieses wird an einem Fallbeispiel erläutert.

5. Literatur

[1] Fluiddynamik in a tube equipped with wire matrix inserts         
Alex Smeethe, PeterDroegemuleler, Waldemar Bujalski, Joe Wood          
CHISA 2004, 16th INTERNATIONAL CONGRESS OF CHEMICAL AND PROCESS      ENGINEERING, 22-26 August 2004, Prague - Czech Republic

[2] Effect of hiTRAN Inserts on tube fouling at low Reynolds Number
Internal Research Project, Small, N.E., Anderson, K., Glass, D
University of Edinburgh, 2004

[3] Use of In-Tube Inserts to reduce Fouling from Crude Oils
B. D. Crittenden, S. T. Kolaczkowski, and T. Takemoto
AIChemE Symp Series Vol 89 (No 295), Heat Transfer - Atlanta 1993,  pp 300-307

[4] Chenoweth J M Final report of the HTRI/TEMA
Joint Committee to review the fouling section of
the TEMA standards. Heat Transfer Eng 11.  73-107 (1990)

[5] The theory, historical application and current practice of using wire matrix elements to enhance heat transfer and reduce tube side fouling in hydrocarbon streams

[6] Martin J Gough, Peter Droegemueller, Peter Ellerby and Alex Smeethe
AICHe Spring Conference 2004, New Orleans

Teil 1 : Überblick über die Funktionsweise von hiTRAN Turbulenzerzeugern

Teil 2 : hiTRAN Turbulatoren zur Leistungssteigerung in Kondensatoren